猕猴大脑三维高分辨截面图

部分神经纤维的全脑跟踪和可视化图 （中科院深圳先进院供图）

　　 深圳商报记者 袁斯茹

　　 大脑是生命活动的司令部，识别大脑三维结构，对脑科学研究有重要作用。7月26日，中科院深理工/中科院深圳先进院毕国强教授等的最新研究成果发表于《自然·生物技术》。团队历时5年，通过自主研发的高通量三维荧光成像VISoR技术和灵长类脑图谱绘制SMART流程，实现了猕猴大脑的微米级分辨率三维解析。这也是目前世界上最高精度的灵长类动物脑图谱。

　　 长久以来，为了能“看清”大脑的内部结构，了解其运转机制，科学家们都在尝试绘出一幅包含连接性,功能和微观结构的大脑高清“地图”并做出诸多努力，然而其技术难度极大。

　　 大脑内部的神经网络结构，就像地球表面错综复杂的道路与河流。要绘制它的高清“地图”，需要精细分解和描绘复杂的三维结构。由于技术限制，目前的脑图谱研究主要集中于小鼠层面，国际通用的成像技术，对小鼠进行微米分辨率全脑成像，通常需要数天时间。猕猴脑体积为鼠脑的200倍以上，要在较短时间内完成猕猴全脑成像，是一项极大挑战。

　　 此前，团队经过数年攻关，研发了VISoR高速三维荧光成像技术，于2019年发表于《国家科学评论》。这一技术通过斜截面扫描照明与同步成像，实现了在样品连续运动时，进行无模糊的图像采集，消除了传统大样品成像需要在不同的小视野切换、停顿所带来的时间损失，数据采集速度比当前通用的几种方法提升了数十倍。

　　 据悉，该项目中两只猕猴大脑图像原始数据量超过了1 PB，约相当于113块10T硬盘的数量存储大小。“如此海量的数据蕴含着非常庞大的信息量，但也为数据分析带来极大的挑战。”论文共同第一作者徐放表示。为此，团队开发了自动三维图像拼接技术，实现了猕猴大脑的三维图像重建。

　　 成像不仅要全面，更要高清。大脑内有上亿个神经元，长长的神经元轴突就像是电线，延伸到大脑的各个区域，发挥着传输信号的功能。要完整描绘它们，需要微米级分辨率。

　　 为此，团队开发了渐进式的半自动追踪技术，实现了对神经元轴突的长距离追踪，并基于前期工作基础，发现了前所未知的猕猴轴突纤维投射特性，及其在大脑皮质沟回处转折延伸的多种路径形态。

　　 “他们的初步观察表明，大脑皮层下方白质中的许多轴突具有出乎意料的复杂轨迹，包括与皮层折叠相关联的急转弯。这一发现可能对理解大脑形态发生和‘布线长度最小化’原则具有深远的意义。”美国科学院院士、神经生物学与解剖学家、华盛顿大学David van Essen（大卫·冯·埃森）教授表示。

　　 “VISoR技术作为当前世界最快的大尺度三维组织成像方法，可以对各种模型动物大脑进行高通量、高精度的定量解析，并可扩展至其他组织器官，在大规模药物筛选、快速病理诊断，以及更大型生物样品成像等领域都有广阔的应用前景。这项技术产生的超大规模数据与人工智能技术的结合，有望加速脑疾病诊断和药物研发。”毕国强表示。